从抢救性保护到预防性保护——古月桥保护修缮工程实践分析

张 荣（北京国文琰文化遗产保护中心有限公司 北京 100192）

王 麒（北京国文琰文化遗产保护中心有限公司 北京 100192）

王 帅（北京国文琰文化遗产保护中心有限公司 北京 100192）

李玉敏（北京国文琰文化遗产保护中心有限公司 北京 100192）

吕 宁（清华大学建筑设计研究院有限公司文化遗产保护研究中心 北京 100084）

黄美燕（义乌市文物保护管理办公室 浙江义乌 322000）

一、预防性保护的概念辨析

“预 防性保护”是我国文化遗产保护领域里面近几年较流行的一个语汇。“预防性保护一词来自英文‘Preventive Conservation’的直译，该概念最早提出是在1930年于罗马召开的第一届艺术品保护科学方法研究国际会议上”[1]。国际文化遗产保护界对“预防性保护”已经研究多年，并逐渐发展成为一门独立的学科，该学科研究领域涵盖了遗产保护、遗产防灾、遗产监测、馆藏文物环境控制等方向。

在我 国的法规和行业规范文件中， 2015版《中国文物古迹保护准则》（以下简称《准则》）①《中国文物古迹保护准则》是由国际古迹遗址理事会中国国家委员会制定，国家文物局推荐的行业规范，2000年制订第1版，2015年修订完成第2版。率先提出“预防性保护”概念②《中国文物古迹保护准则》2015版第12条：“最低限度干预：应当把干预限制在保证文物古迹安全的程度上。为减少对文物古迹的干预，应对文物古迹采取预防性保护。”。

而最近两年内，一系列重要文件的精神，将“预防性保护”纳入了中国文化遗产保护事业的快车道，将这个名词从概念带到了实践的最前沿。2017年《国 家文物事业发展“十三五”规划》明确提出，要从以 往单纯注重抢救性保护，向抢救性与预防性并重的保护方式转变，在馆藏文物保护、革命文物保护、文物保护装备上都提到了“预防性保护”的理念，并明确要求“推动文物预防性保护常态化、标准化，出台日常养护、岁修、巡查和监测工作规范。”2018年中共中央办公厅、国务院办公厅先后印发了《关 于实施革命文物保护利用工程（2018-2022年）的意见》和《关于加强文物保护利用改革的若干意见》两个文件，都提出了“预防性保护”的概念，前者要求“统筹推进抢救性与预防性保护”；后者提出“支持文物保护由抢救性保护向抢救性与预防性保护并重、由注重文物本体保护向文物本体与周边环境整体保护并重转变。”2019年财政部、国家文物局印发的《国家文物保护专项资金管理办法》中，将“预防性保护”作为文物保护资金的一个专项支出内容。

2015版《准则》中提出，“预防性保护”目的是为减少保护工程对文物古迹的干预，并给出“预防性保护”的定义：预防性保护是指通过防护和加固的技术措施和相应的管理措施减少灾害发生的可能、灾害对文物古迹造成损害、以及灾后需要采取的修复措施的强度[2]。从预防性保护的目标与定义上来看，预防性保护有三个要点内容：1.预防性保护要满足最低限度干预原则；2.预防性保护要通过技术措施和管理措施共同实施；3.预防性保护要减少或避免文物古迹遭受的威胁与灾害。

本文希望通过古月桥保护修缮工程案例的阐释，在“预防性保护”理念的指引下，提出“预防性保护”的中国解决方案，以推动预防性保护这一理论在中国文化遗产保护领域的发展与实践落地。

预防性保护的概念要求，改变以往“头疼医头，脚疼医脚”的临时性“抢救”概念，要在破坏最终发生前，通过科学系统的分析，找到对文化遗产最根本的威胁因素，并以“最小干预”的方式，科学有效地对文化遗产进行保护，并且要对保护过程与成果进行监测与评估。

二、古月桥预防性保护修缮工程

古月 桥位于浙江省义乌市赤岸镇龙溪之上，为我国迄今可考最早出现的折边拱桥。桥顶南侧石梁面上刻有“皇宋嘉定葵酉季秋闰月建造”题刻，建于宋嘉定六年（1213年），相传为南宋工部侍郎、邑人徐侨（文清公）所筑。1982年在全国文物普查时首次发现该桥，2001年公布为全国重点文物保护单位。

（一）基于价值研究的数字化测绘

折边形拱桥作为我国拱桥发展史上的一种特殊形制，今仅在浙江及周边地区有实例留存，具有鲜明的地方特色③“可喜的是在浙江保存着较多从三边形到圆弧拱演变轨迹的具有早期构造特征的桥梁，为研究这一转变提供了实物例证。”参见：张书恒. 浙江宋代桥梁研究[C]//浙江省文物考古研究所.浙江省文物考古研究所学刊（2）.北京：科学出版社，1993：320.。不少学者认为，折边拱是曲拱结构发展的过渡阶段。中国汉代墓葬考古发现也证明了这一点：由砖拱叠涩逐渐发展为三、五、七折拱，最终发展为圆拱。这恰与西方普遍认为的由金字塔“假拱”到折边拱再到圆拱的发展历程相符（图3）。

古月桥采用单拱纵联分节并列砌置，桥身分四层。

作为主要承重结构的桥身底层由六列肋梁组成五边形折拱形制，每列石梁5根，拱段之间以横锁石相连，横锁石上凿出凹槽，使拱条石与横锁石紧密相接；同时，为了使桥整体保有一定的灵活性，横锁石并非贯穿整体六列石梁，而是以每排两根、错开排列的方式，连接六列石梁。

桥身第二层为铺设于承重层上的底板层，该层由石板在石梁之间垂直桥身方向平铺而成。

桥身第三层为底板层之上的填充层，该层由大小不一的碎石、黄土填充而成。

桥身第四层为填充层上的桥面层，该层中央铺有长条石，折拱横锁石位置垂直于桥身方向铺有条石，其余桥面部分平行于桥面方向错落铺设石板。

为深入研究古月桥的构造做法，以及准确测量桥体的变形情况，勘察设计方采用三维激光扫描的方式对桥梁进行整体测绘。使用 FARO Focus3D X 330三维激光扫描设备，最小点间距可达1毫米，单点测量误差不超过2毫米，满足对桥体进行测量精度和分辨率要求（图4）。

根据扫描测绘结果，古月桥全长31.20米，底拱长14.67米，拱矢高4.99米，桥面两侧宽约4.91米，中部宽4.45米，东西两侧引桥各为7.65米，坡度约为25°；自起拱处至拱最高处约为3.745米，按照宋代1尺④宋尺与今尺寸的计算有多种方式，本文中采用《尺录》及巩县出土宋代铁尺实物的计算方式，即1尺=31.186厘米。约合31.186厘米计算，整桥为10丈，引桥部分约50尺，桥体部分约50尺；桥身轴线跨度48尺，与起拱处至最高处的12尺，恰为一底与高之比为4∶1的三角形。结合宋代造桥技术特点，该三角形应与古月桥建造之初的放样关系相合[3]（图5）。

同时，根据扫描实测结果，以六列石梁梁底为基准绘制轴线。虽然目前六列石梁都发生了一定程度的偏移，但整体的收分明显。桥基支撑的最端头肋梁间距最宽，轴线间距为86厘米，合宋代2尺7寸5分，桥身正中肋梁间距最窄，轴线间距应为78厘米，约合宋代2尺5寸。整体轴线间距由13尺7寸5分向内逐渐收分至12尺5寸，桥体由桥基两侧最宽处的4.836米（约合13尺7寸5分）收至桥中最窄处的4.446米（约合14尺2寸5分）。这说明，古月桥在建造之初就保有向内的预应力，古月桥的力学结构设计非常合理，古月桥稳定地保存、使用超过800年，也证明了其桥体力学设计成功（图6）。

结合《宋史》中所载宋代已经掌握了桥梁模型和试验技术，以古月桥如此精密巧妙的设计，极有可能在建桥之初先建有模型，再根据模型放样建桥。古月桥桥体收分的设计，使桥梁更加轻巧美观，无论从侧面还是正面看，古月桥都具有优美的曲线。更加重要的是，古月桥的收分设计，使桥体依靠自重产生了向内的预应力，这种现代力学设计理念，在800年前的古月桥设计上就巧妙地体现出来，这种设计保证了古月桥经历800年的风雨侵袭、洪水袭击也依旧屹立不倒。

在三维激光数字化精细测量分析研究的帮助下，我们对古月桥的构造做法和结构体系有了更加清晰的认识。古月桥在中国科技史、桥梁建筑史上具有重要地位，桥体结构构造体系是其最重要的价值所在，也是在保护工程中要保护和延续下去的重要价值点。

表1 代表性样品的孔隙率测定

（二）残损勘察研究

在对古月桥的残损勘察过程中，发现目前除了表面生物与微生物病害、石块之间的灰浆缺失外，桥体的主要威胁为横锁石断裂，以及部分肋梁端头的压溃与位移；同时，桥体风化表现出明显的规律：两侧风化轻微而中间风化严重；桥面板缺失严重，尤其是南侧桥面，局部甚至出现了透天的现象，下雨时由桥面向桥底结构构件渗漏水情况严重（图7）。

1.微观材料检测分析

为了研究石材的特质、病害的情况及对桥整体结构的影响，取得岩石、苔藓、石灰、附近土壤共18个样品，采用多种实验方法对样品进行分析，以期获得石材的特质、病害机理以及微观和宏观之间的内在联系。

（1）矿物组成分析。通过对采集到的岩石样品分析，桥体所用石材为火山碎屑岩，主要为火山角砾岩。

（2）显微观察分析微观残损。使用高倍电子显微镜观察岩石样品，风化情况与宏观勘察结果一致，位于中央部位的样品风化程度较两侧深。同时，高倍率下样品上可见大量丝状、片状、胶装附着物，并散布有微生物残骸（图8），说明微生物存在并对岩石风化有影响。

（3）孔隙率测定。取三个分别位于桥头底部、桥身中部和桥身正中的样品进行压汞孔隙率测定，由表1可知，三处不同位置的石材样品孔隙率均在10%左右，高于一般火山角砾岩2%～9%的孔隙率，应是风化所致；同时，8号样品位于桥中央，风化最严重，亦与宏观勘察结果一致。

结合微观样品的检测，印证了宏观勘察的结论，即越往桥中央风化越严重，靠近两侧风化程度较轻。同时，石构件发生化学风化的机理经分析，主要原因是桥面渗水、微生物及植物生长，加之气候潮湿，桥体结构材料长期处于阴暗潮湿的环境，在水、微生物的共同作用下发生严重的结构性石梁差异性风化。

2.结构计算

针对古月桥的结构稳定性检测，采用计算机模拟分析计算的方式，并比较分析了前辈学者在2004年[4]和2014年两次测算结果，从而作出综合判断。

结构计算采用有限元方法，在现场调研和综合分析的基础上，进一步将纵肋条石梁和横锁石交接处简化为仅X轴单方向变形约束的铰接受力体系。模型所有节点的空间坐标都是依据本次测绘三维扫描后的实际位置点确定的，因此模型本身完全反映了桥体现状。根据现场采集的岩石样品进行超声波速测试和力学实验，测得其纵波速度、横波速度、弹性模量及单轴抗压强度等参数。其中，附近采石场的新鲜岩样弹性模型平均为19.58GPa（注：GPa为压力单位），泊松比⑤泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数。为0.17；现场采集的风化岩样平均弹性模量为14.41GPa，泊松比为0.171。在计算中，取风化岩石的平均数据来表征桥体材料的残损。经过结构计算，初步可知，古月桥在没有外力作用下，自身结构体系基本稳定（图9）。

根据水文地质资料，龙溪10年一遇的洪峰流量是224立方米每秒，5年一遇的洪峰流量是167立方米每秒。古月桥段5年一遇的洪峰流量是110立方米每秒，水务局于上游设四个分洪管后，每个分洪管设计流量是10.1立方米每秒，故分洪后古月桥段五年一遇的洪峰流量是69.66立方米每秒。通过计算得知，鉴于桥体自身Z向变形已经十分严重，虽然龙溪已经经过分流泄洪，但洪峰仍然对脆弱的桥体有较严重威胁，会引发桥体Z向持续变形。

根据本次结构计算结果，对比2004年和2014年的结构计算，可以看出几次计算的结果基本一致。古月桥在没有外力作用下，目前自身结构体系基本稳定。但由于承载结构的差异性风化和形变位移严重，在外力作用下，比如严重的洪水、通过桥面的较大荷载都可能影响桥体稳定性。

3.勘察结论

综合上述，古月桥在水以及生物病害的共同作用下，桥体目前出现了较为严重的残损，主要表现为不均匀风化、石梁断裂等病害，尤其是应力集中的梁头、横锁石部位，大部分梁头由于风化，与横锁石接触面积变得很小，并且石构件之前缺少垫层缓冲，导致梁头应力集中，加之该区域又是风化病害集中区域，石构件端点的破坏已经形成了恶性循环。

由于桥面板部分缺失和垫层防排水能力失效，桥体下部结构肋梁、横锁石长期处于潮湿环境，植物、微生物生长繁盛。桥体结构构件的风化与生物病害呈加速状态。

根据结构计算，由于桥体结构的科学合理性，虽然桥体风化严重，但古月桥桥身结构目前处于稳定状态。但是如果其结构构件继续风化破坏，或遭遇较大洪水侧推，或受到外加超过一定限制的不均匀荷载等问题，则有可能引起桥梁局部倒塌甚至全部垮塌。

根据以上勘察结论，工作组对古月桥预防性保护提出的初步建议是：延缓古月桥的风化破坏，改善目前结构构件应力集中部位的受力状态；并通过监测和管理的方式，减少洪水、人为破坏等外因对古月桥的影响。

（三）设计方案制定

根据勘察结论，工作组提出了两套修缮设计方案。两个方案的区别在于是否对桥体整体进行落架，是否对断裂的横锁石采用钢筋或碳纤维等现代材料进行加固。经与项目评审专家组深入讨论后，决定采用最小干预的方案：不进行结构落架，不采用钢筋或碳纤维等材料改变现有结构体系和材料强度⑥石刻保护专家黄克忠先生、古建筑保护专家张之平先生建议：古月桥已经存在了800多年，既然结构计算证明，它自身结构基本稳定，就不要轻易改变它的受力体系。古月桥的结构体系是桥梁类文化遗产最重要的价值点，要严格保护。。

在这个原则指导下，工作组制定了古月桥的保护方案如下（图10）：

1.在不改变古月桥现有结构体系的前提下，针对性地研制补强材料，增强承重结构整体刚性，限制结构节点位移，改善端头节点应力集中和受力不均状态。

2.清除和抑制微生物和植物生长，重新铺设夯实填充层，补配缺失桥面板，改善桥面和两侧的排水状况，改善石质风化加剧的现状，减缓其风化速率。

3.建立对古月桥保存状态、本体及环境的监测系统，监测古月桥修缮过程中的结构体系是否有变化。并在修缮工程完成后，长期对古月桥的风化、生物病害及洪水等灾害进行监测。

（四）工程技术研究

1.保护材料研发

根据方案，古月桥保护工程最核心要解决的一项任务，就是为古月桥针对性地研发修补和构件间的垫层材料。

为了完成方案中限制节点位移的目的，工作组提出使用牺牲性材料进行节点强化的方法。这种方式既可满足防止节点继续弱化的目的，又满足修缮“最少干预”的原则。首先古月桥节点的问题体现在梁头截面变小而产生了梁头的压溃与压裂，而这又造成梁头截面进一步缩小的恶性循环。那么缓解梁头受力状况、充分发挥残余截面的受力性能就成了不外加其他结构而维持现有节点的最佳方法。其次保护风化后的表层石材，不仅是为了保护文物原状，也成为了维持梁体截面的重要一环。选择牺牲性材料作为受力垫层，能有效地使梁头接触面受力更加均匀，同时也能对节点的位移进行限制，而牺牲性材料低于风化石材的强度则可以作为风化部分石材的“软保护”，一旦破坏发生时，先于被保护的石材破坏，起到预警作用。

本着牺牲性材料应与古月桥原有火山角砾岩性质相近的原则，天然水硬性石灰材料吸引了我们的注意。首先其矿物成分与原石材相近；其次它具有收缩变形性小、孔隙率大、透水性及透气性良好的基本性质，以及较强的抗冻融、水稳定性、耐温湿度循环变化影响，且具有抵抗碱性介质侵蚀的能力。在以往的研究与工程应用中，它也体现出比水泥和有机树脂高分子材料更可靠的性能。因此我们决定以天然水硬性石灰材料为基材进行改性研究，使其能够满足牺牲性材料的指标（图11）。

根据古月桥保护工程的要求，对该种基于水硬性石灰研发的牺牲性材料设定了以下性能要求：

（1）材料强度必须低于古月桥现状风化后的石构件强度，以保证在发生破坏时，补强材料先于石构件破坏，从而保护已风化石构件的完整性；根据勘察报告中古月桥石材强风化部位的单轴抗压强度为20～30MPa的结论，确定该牺牲性补强材料的单轴抗压强度应在10～20MPa之间。

（2）与石质文物本体很好地兼容、耐久而不易产生剥离。在化学成分、性质上与古月桥的火山角砾岩较为接近，防止因所含盐分不同而在结合处发生析盐等病害，而对本体石材产生破坏。

（3）易于清理，在石材上基本无残留，具有较强的可逆性。

（4）考虑到施工的要求，材料应该具有较好的可灌性，所以材料的强度指标应以净浆为准，不应添加集料。

经过不同的材料组份的配比实验，工作组最终得到了由水硬性石灰、火山角砾岩矿粉和少量聚乙烯醇纤维组成的牺牲性保护材料[5]。材料通过强度实验、老化实验和现场实验，能够良好地达到设计性能指标（图12）。该材料在2017年2月获得了国家发明专利。

2.施工技术

根据设计要求，施工单位精心组织了科学的施工顺序：

（1）搭设脚手架和钢梁架（图13）。该钢梁架并不直接支撑桥体，所有节点与桥体结构部位保持5毫米距离，钢架的作用是在施工过程中或者雨季洪水作用下，一旦结构失稳，钢架对现有桥体结构起到预防保护作用。

（2）对横锁石与梁头节点进行局部归安以限制位移，并用牺牲性材料将梁头缺失面积补充完整，在桥体结构稳固并且牺牲性补强材料达到抗压强度标准后，再进行后续工序施工。

（3）拆卸桥面板。桥两头同时对称揭起（防止桥体偏心受力），从桥面上移除的石板、压阑石按位置顺序予以明确编号和详细记录，妥善保存于干燥场所，以便后期归安。

（4）清理桥面、侧面桥身、侧塘石及压阑石底面的植物及微生物。

（5）补配已缺失或更换严重破损的横铺石底板。在古月桥附近村庄采集相同材质的火山角砾岩石材，采用传统工艺手工加工石板，并补配在缺失部位。

（6）填充层补充。将角砾岩碎岩，均匀地铺在底板层之上；以河砂、黄土与石灰体积以5∶2∶3的比例加水充分搅拌，整堆密封7～15天，使生石灰完全熟化，再进行二次搅拌，干湿度控制以用手捏能结块、落地能散开为标准。然后铺设于碎石层之上，压实、找平后按照传统三合土地面施工、保养方法进行多次人工拍打，拍打至10厘米左右，待干结后冲水进行防渗检验。[6]

（7）桥身压阑石和金刚墙整理归安，并用纸筋灰勾缝防止侧向渗水。

（8）桥面板补配，在附近村落收集火山角砾岩旧石板，用传统工艺手工加工成与原石板一致的桥面板，参照保存较为完整的北侧桥面，补配安装南侧桥面缺失面板。

整个工程施工体现了高科技保护技术与传统工艺的紧密结合。以传统工艺为基础，使用当地传统配比的三合土垫层作为防水层（图14），用传统工艺加工补配缺失石构件。在传统工艺无法解决的问题上使用新技术，特别是材料技术，用针对性研发的牺牲性水硬性石灰材料修补破损石梁节点，并用现代检测技术手段——色差仪、红外热像仪、砂浆强度检测分析等设备及方法对材料性能是否达到设计指标进行检测（图15）。使用现代钢结构为古月桥搭建了一个预防性支撑保护结构，预防结构失稳的发生，该支撑体也为工程实施与监测提供了一个坚实的施工平台。

3.监测技术

根据设计要求，进行了全程的工程监测。重点对桥体稳定性与位移进行监测。在桥梁周围设置了永久观测点，在所有横锁石端头以及结构关键部位都设置了监测标靶与实时位移监测仪（图16），并在部分开裂构件上粘贴石膏条，用传统方式监测裂隙的变化。通过定期的全站仪测量与实时位移数据监测，确保施工过程中，桥体结构的稳定。数据表明，在整个施工过程中以及工程结束至今，桥体结构始终保持稳定，原有结构体系没有任何改变，很好地达到了设计要求。

监测还对古月桥的气象环境和水文环境、尤其是对洪水状况进行了监测。义乌每年春、夏季节下雨频繁且雨量较大，龙溪洪水湍急。根据监测数据，近两年施工过程中，龙溪洪水未对古月桥结构产生稳定性的影响。并且近几年，龙溪已经采取了分流限洪的措施。根据初步监测成果判断，龙溪洪水未对古月桥的安全稳定性产生影响。

结语

古月桥保护工程的“预防性”，体现在以下几点：

1.通过高科技勘察手段与结构计算，科学评价“古月桥”的稳定性，真正做到将保护工程对文物本体的影响“最小干预”。

2.搭建预防性保护钢梁，预防施工过程中的桥体结构失稳。

3.采用针对性研发的牺牲性材料作为构件间的垫层，增强了原结构的整体性，保护了所有的原有结构构件。并且该材料的强度略小于风化构件的表面强度，一旦风化继续发生，会首先集中于受力集中并且强度较小的牺牲性材料，从而对文物本体起到预防保护的作用。

4.通过传统工艺，修复桥面板与三合土垫层，防止雨水下渗，减弱风化与生物病害的影响。

5.古月桥保护工程实施了全过程监测，对施工过程中桥体结构变形进行控制，对保护材料的实施效果进行鉴定，预防工程过程中对文物产生的破坏。

6.通过管理要求，对修缮后的洪水以及桥梁的使用进行规范，预防未来自然与人为破坏对古月桥的影响。

义乌古月桥保护修缮整个工程从勘察设计到 竣工验收历时5年，项目管理和技术团队重视前期勘察研究工作，专门委托团队进行勘察分析研究，并创造性地在施工过程中引入了监测和技术服务团队（图17）。

以价值评估为判断依据，重视拱桥原有的结构构造体系的真实性，系统分析了古月桥现有结构体系的稳定性，以及面临的危害情况，设计方案提出了研究性、预防性的系统解决方案。

工程采用最小干预原则，整个工程过程未进行结构构件落架，完整保留了原有桥梁力学体系，没有更换任何结构性构件。并通过监测，科学地控制这个工程的实施进程与质量⑦2019年1月，古月桥工程通过了浙江省文物局组织的竣工验收，工程实施效果得到了专家与当地居民一直好评。2019年4月，古月桥保护修缮工程荣获“全国优秀古迹遗址保护特别推荐项目”。2019年10月14日，在马来西亚槟城举行的联合国教科文组织亚太地区遗产论坛大会上，古月桥修缮工程荣获“联合国教科文组织亚太地区文化遗产优异项目奖（UNESCO Asia-Pacific Awards for Cultural Heritage Conservation-Award of Merit）”。。

古月桥修缮工程从设计到施工，体现了高新测绘技术、材料技术、监测技术与传统工艺的完美结合，是我国文化遗产保护工作，从抢救性保护向预防性保护发展的一项重要成功实践（图18-20）。